Penisilliini vaikuttaa bakteerien soluseinän muodostumiseen sitoutumalla transpeptidaasi-entsyymeihin, jotka ovat keskeisiä peptidoglykaanin ristisidosten muodostuksessa. Tavallisessa transpeptidaatioreaktiossa entsyymi sitoutuu D-ala-D-ala -peptidiketjuun ja vapauttaa yhden alaniinijäännöksen. Penisilliini kuitenkin sitoutuu β-laktaamirenkaansa avulla pysyvästi entsyymin aktiiviseen kohtaan muodostaen stabiilin kovalenttisen sidoksen, joka estää entsyymin toiminnan peruuttamattomasti. Tämä estää soluseinän ristisidosten muodostumisen ja siten heikentää soluseinän rakennetta.

Penisilliini ei sitoudu vain yhteen entsyymiin, vaan bakteerisolussa on useita penisilliiniin sitoutuvia proteiineja, ns. Penicillin Binding Proteins (PBP:t). Näitä PBProteiineja on E. colissa ainakin 12, ja niiden tehtävät liittyvät soluseinän eri vaiheisiin kuten kasvamiseen, solunjakautumiseen ja seinämän jäykkyyden säätelyyn. Osa PBProteiineista on transpeptidaaseja, jotka katalysoivat ristisidosten muodostusta, kun taas toiset ovat karboksipeptidaaseja, jotka rajoittavat ristisidosten määrää ja vaikuttavat näin seinämän joustavuuteen. Penisilliinin antibakteerinen teho perustuu erityisesti sen kykyyn sitoutua transpeptidaaseihin ja estää niiden toimintaa, ei niinkään karboksipeptidaaseihin.

Penisilliinin sitoutuminen PBProteiineihin estää uuden soluseinän synteesin, mikä johtaa bakteerin kasvun pysähtymiseen. Kuitenkin pelkkä kasvuun estyminen ei selitä bakteerisolun kuolemaa. Solukuolema johtuu soluseinän hydrolysoinnista autolyytisilla entsyymeillä, kuten mureiinihydrolaasilla, joka hajottaa peptidoglykaanin β-(1→4)-sidoksia. Nämä autolyytit osallistuvat normaalisti soluseinän uusiutumiseen ja muokkaukseen, mutta penisilliinin vaikutuksesta soluseinän synteesi hidastuu, jolloin seinä heikkenee ja autolyytit aiheuttavat vahinkoa hallitsemattomasti.

Soluseinän heikkeneminen vapauttaa lipoteikoihappoja, jotka normaalisti estävät autolyysin toimintaa. Lipoteikoihappojen vapautuessa tämä estovaikutus vähenee, mikä lisää autolyysin aktiivisuutta entisestään ja johtaa lopulta soluseinän romahdukseen. Tämän seurauksena solun osmoottinen eheys menetetään ja solu lysaantuu.

Soluseinän rakenne jakautuu kolmeen vyöhykkeeseen: sisimpään, keskimmäiseen ja uloimpaan. Uusi peptidoglykaani syntetisoidaan sisimmässä vyöhykkeessä ja siirtyy vähitellen ulospäin venyessään keskimmäiseen ja uloimpaan vyöhykkeeseen, jossa autolyysin toiminta mahdollistaa vanhan seinämän hajottamisen ja tilan uudelle synteesille. Penisilliinin estäessä uuden seinämän muodostusta tämä jatkuva kierto katkeaa, mikä lopulta johtaa solun lysisreaktioon.

Penisilliinin monenlaiset kohteet PBProteiineissa ja sen kovalenttinen sitoutuminen transpeptidaasiaktiiviseen kohtaan korostavat sen tehokkuutta bakteerien soluseinän synteesin estäjänä. Soluseinän synteesi on välttämätöntä bakteerisolun kasvulle ja jakautumiselle, joten tämän prosessin pysähtyminen on tuhoisaa bakteerille.

Lisäksi on tärkeää ymmärtää, että antibioottiresistenssi voi kehittyä muutoksilla näissä PBProteiineissa, jolloin penisilliini ei enää sitoudu tehokkaasti entsyymeihin. Tämä korostaa tarvetta syvälliselle PBP-proteiinien rakenteen ja toiminnan tutkimukselle, sekä uusien antibioottien kehittämiselle, jotka voivat voittaa resistenssin.

Miten resistenssi kehittyy antibiootteja estämällä nukleiinihapposynteesiä ja miten se vaikuttaa bakteereihin

Quinolonien ja fluoroquinolonien vastustuskyky, kuten on todettu Staphylococcus aureuksessa, johtuu mutaatioista sekä gyrA- että gyrB-geeneissä, jotka voivat vastata quinoloniresistenssistä [26]. Fluoroquinolonit ovat laaja-alaisia antibiootteja, jotka vaikuttavat DNA-gyraseen ja topoisomeraasi IV:een sitoutuen, erityisesti gyrA ja gyrB -alayksiköihin sekä ParC ja ParE -alayksiköihin. Yhdysvalloissa vuosina 1999-2003 suoritetussa tutkimuksessa kaikilla Salmonella enterica -kannoilla, jotka olivat resistenttejä siprofloksasiinille, havaittiin mutaatio QRDR-alueella gyrA:ssa, mutta ei gyrB:ssä, parC:ssä tai parE:ssä [27]. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan päätellä, että Salmonellan vastustuskyky quinoloneille liittyy ensisijaisesti gyrA-geenin mutaatioihin.

Mycobacterium tuberculosisin kohdalla, jossa ei ole topoisomeraasi IV:ä, fluoroquinolonit vaikuttavat vain DNA-gyraseen. Kaikki tunnetut mutaatiot gyrase-geenissä on koottu ja arvioitu [28]. 1220 vastustuskykyistä M. tuberculosis -kantaa, jotka sekvenoitiin, 64 %:lla oli mutaatioita gyrA QRDR-alueella, kun taas 3 %:lla oli mutaatioita gyrB:n QRDR-alueella. Yleisin mutaatio (54 %) esiintyy koodoneissa 90, 91 tai 94 gyrA:ssa. Nalidiksihapon suuri resistenssi voidaan saavuttaa yksittäisellä mutaatiolla QRDR:ssä, mutta merkittävä resistenssi siprofloksasiinille vaatii yleensä useampia mutaatioita, mikä tekee siprofloksasiinista tehokkaamman antibiootin [25]. Kuitenkin on myös raportoitu mutaatioita, jotka aiheuttavat korkean vastustuskyvyn siprofloksasiinille, mutta eivät nalidiksihapolle, kuten Stenotrophomonas maltophiliassa [29] ja Salmonella enterica typhimuriumissa [30].

Resistenssin kehitys antibiootteja estämällä ei rajoitu pelkästään geenimutaatioihin. Toinen mekanismi, jonka kautta bakteerit voivat kehittää vastustuskykyä, on antibioottien sisäisen pitoisuuden väheneminen. Tämä voi tapahtua kahdella tavalla: (a) alentamalla lääkkeiden läpäisevyyttä solukalvon läpi ja (b) yli-ilmentämällä aktiivisia efflux-pumppuja, jotka pumppaavat lääkkeitä sytoplasmaan takaisin solun ulkopuolelle. Quinolonit pääsevät soluun gram-negatiivisilla bakteereilla ulkokalvolla olevien poriinien kautta. Escherichia colin ulkokalvossa on kolme erilaista poriinia, OmpA, OmpC ja OmpF (omp = ulkokalvoproteiini). OmpF:n mutaatiot tai sen ilmentymisen väheneminen lisäävät resistenssiä tiettyjä quinoloneja vastaan. Koska monet muut lääkkeet kuljetetaan myös OmpF-poriinin kautta, nämä mutaatiot voivat myös johtaa resistenssiin monia antibiootteja, kuten β-laktaameja, tetrasykliinejä ja kloramfenikolia vastaan.

Gram-positiivisissa bakteereissa, joissa ei ole ulkokalvoa, quinoloniantibiootin solupitoisuutta vähentävät aktiiviset efflux-pumput. On huomattava, että "aktiivinen" tarkoittaa "energiaa riippuvaista", eli ATP:n tai muiden korkeaenergiaisten yhdisteiden energiaa käytetään lääkkeiden kuljettamiseen vastoin pitoisuuseroa (kun antibiootin pitoisuus ulkona solussa on suurempi kuin sisällä). Vastaavat aktiiviset efflux-järjestelmät vastaavat myös tetrasykliinien vastustuskyvystä.

Kun otetaan huomioon, että quinolonien vastustuskyky voi kehittyä myös geenin hankinnan kautta, on olemassa geenin qnr (quinolone resistance) esiintymistä, joka voi siirtää vastustuskykyä quinoloneille ja muille antibiooteille [31]. Tämä qnr-geeni tuottaa suojan DNA-gyraselle, estäen quinolonien vaikutuksen, ja se on osa integronia plasmidissa [32]. Tätä geeniä on löydetty vain harvinaisista kliinisistä eristyksistä, pääasiassa Alabaman alueelta Yhdysvalloista [33].

Erilaiset kemikaalit, kuten metronidatsoli, eroavat merkittävästi tavallisista antibiooteista. Metronidatsoli on synteettinen derivate azomysiiniä, joka on ensimmäinen nitroimidatsoli-antibiootti ja se tunnetaan sen kyvystä rikkoa DNA:ta kemiallisella reaktiolla, joka ei ole entsyymikatalysoitu. Metronidatsolin teho ei ole kilpailullinen eikä se toimi ensisijaisesti estämällä entsyymejä, vaan se reagoi suoraan DNA:n kanssa. Tämä tekee siitä ainutlaatuisen verrattuna perinteisiin antibiootteihin. Lisäksi se on pro-lääke, joka aktivoituu bakteerin tai isännän toimesta ollakseen toiminnallinen. Metronidatsoli on tehokas anaerobisille ja mikroaerofiilille mikro-organismeille, kuten bakteereille ja loismikro-organismeille. Se on ensisijaisesti käytössä trikomoniaasin, bakteeri-gingiviitin, giardiaasin ja dysenteerian hoitoon.

Kun antibioottiresistenssi kehittyy, sen vaikutukset voivat olla laaja-alaisia, koska se voi johtaa siihen, että alkuperäisesti tehokkaat lääkkeet eivät enää toimi, mikä luo uuden haasteen taistelussa infektioita vastaan. Erityisesti antibioottien väärinkäyttö ja väärä käyttö lisäävät resistenssin kehittymistä, joten on tärkeää ymmärtää antibioottien käyttöä rajoittavat mekanismit ja keinoja, joilla niitä voidaan torjua tehokkaasti.

Mikä on HALE ja miten se lasketaan väestötasolla?
Mikä määrittää sosiopaatin primitiivisen tunne-elämän ja sen vaikutukset?
Miksi teknologian etiikkaa ei voi enää sivuuttaa?